DE2952311A1

DE2952311A1 - Verfahren und vorrichtung zum umsetzen einer messspannung in einen digitalen wert

Info

Publication number: DE2952311A1
Application number: DE19792952311
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Manfred 6108 Weiterstadt Kreuzer
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1979-12-24
Filing date: 1979-12-24
Publication date: 1981-07-02
Also published as: DE2952311C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen einer Meßspannung in
einen digitalen Wert Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen mindestens einer MeBspannung in einen digitalen Wert nach dem Kompensationsprinzip und eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Schaltung.
Häufig müssen MeBspannungen als analoge Signale zur Weiterverarbeitung in Digitalwerte umgesetzt werden. Dies geschieht mit Analog-Digital-Umsetzern (im folgenden ADU genannt). Es sind eine Vielzahl verschiedenartiger selbsttätiger ADU bekannt. Wesentliche Nachteile der bekannten ADU's sind vor allem darin zu sehen, daß es kleine, preiswerte und schnell arbeitende ADU nur für geringe Auflösungen und Genauigkeiten von etwa 8 bis 12 Bit gibt. Zur Erzielung hoher Auflösungen von mehr als 17 Bit - das entspricht mehr als 100.000 d - sind sehr aufwendige Schaltungen notwendig, die außerdem nur eine sehr niedrige Meßrate besitzen.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen eines analogen Signals in einen digitalen Wert zu schaffen, die mit sehr geringem technischem Aufwand eine Auflösung von 17 bis 20 Bit - das entspricht 100.000 d bis 1.000.000 d -erreichen können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kompensationsspannung eine durch Tastung hergestellte Wechselspannung ist, deren Mittelwert durch ihr Tastverhältnis bestimmt wird, daß nach der Addition der Meßspannung und der Kompensationsspannung der Gleichspannungsanteil ausgefiltert wird, daß bei Abweichen des Gleichspannungsanteils von Null das Tastverhältnis der Kompensationsspannung derart verändert wird, daß der Gleichspannungsanteil zu Null geht und daß das Tastverhältnis der Kompensationsspannung is digitales Maß für die Meßspannung dient. Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein Nachlaufsystem handelt, das dem Meßwert fast kontinuierlich folgen kann, kann jederzeit der digitale Wert abgefragt werden. Dadur; tp~tz,dr hohen Auflösung hohe Meßraten möglich.
Eine besonders hohe Auflösung ist dann gegeben, wenn die Kompensationsspannung aus mehreren durch Tastung hergestellte Wechselspannungen verschiedener Wertigkeiten zusammengesetzt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens für eine Meßspannung ist eine Schaltung besonders geeignet, bei der der Ausgang des Addierers über einen Tiefpaßfilter einen Nullindikator ansteuert, der mit einer Logikschaltung verbunden ist, von der das Tastverhältnis eines Rechteckgenerators veränderbar ist, bei der der Rechteckgenerator einen Schalter steuert, von dem zwei Spannungsquellen unterschidlicher Spannung an den Addierer schaltbar sind und bei der das Tastverhäitnis des Rechteckgenerators digital erfaßbar ist. Sollen mehrere Meßspannungen in digitale Werte umgesetzt werden, ist eine besonders preisgünstige Schaltung dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Addierer über Tiefpaßfilter Nullindikatoren ansteuern, die mit einer Logikschaltung verbunden sind, von der das Tastverhältnis der Rechteckgeneratoren veränderbar ist, daß die Rechteckgeneratoren Schalter steuern, von denen jeweils zwei Spannungsquellen unterschiedlicher Spannung an die jeweiligen Addierer schaltbar sind und daß die Tastverhältnisse der Rechteckgeneratoren digital erfaßbar sind. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Figuren zeigen schematisch beispielsweise Ausführungen der Erfindung. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens für eine Meßspannung Fig. 2 eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens für mehrere Meßspannungen und In Fig. 1 wird eine Meßspannung Um einem Eingang eines Addierers 1 zugeführt, dessen andere Eingänge.von der bzw. den Kompsnsationsspannungenbeaufschlagt werden. Die Meßspannung Um kann beispielsweise von einem Wegaufnehmer oder einem Kraftaufnehmer abgegeben werden. Der Ausgang des Addierers 1 ist mit einem Tiefpaßfilter 2 verbunden, das lediglich den Gleichspannungs--. den Mittelwert -anteil er Summe aus MeBspannung und Kompensationsspannung hindurchläßt. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 2 beaufschlagt einen Nullindikator 3, der dann Signale abgibt, wenn der Gleichspannungsanteil unglsich Null ist. Dr Nullindikator 3 kann beispielsweise ein Nullkomparator oder ein ADU sein. Im Ausfuhrungsbeispiel sei der Nullindikator 3 beispielsweise der ADU 3,der der beispielsweise (in der Figur nicht dargestellt) aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer und einem Zähler bestehen kann. Falls der Gleichspannungsanteil des Tiefpaßfilters 2 Null ist, bzw. kleiner ist als die Ansprechschwelle des ADÜ 3, gibt dieser kein Signal ab. Ist der Gleichspannungsanteil ungleich Null, gibt der AOU 3 dem Vorzeichen des Gleichspannungsanteils entsprechende Impulse an eine Logikschaltung 4 ab, die einerseits eine Anzeige 10 und andererseits zwei Rehteckgeneratoren 5 und 6 ansteuert, die im Ausführungsbeispiel als Timerbausteine ausgeführt sind. Zweckmäßigerweise ist die Logikschaltung 4 ein Mikroprozessor. Die Timerbausteine 5 und 6 sind mit Schaltern 7 und 8 verbunden, die jeweils zwei Spannungen U1 ref und -U1 ref bzw. U2 ref und -U2 ref auf Eingänge des Addierers 1 schalten, wobei zwischen Schalter 7 und Addierer 1.
noch ein Abschwächer 9 eingebaut ist. Selbstverständlich kann der Abschwächer 9 auch zwischen den Spannungsquellen U1 ref und -U1 ref und dem Schalter 7 eingebaut sein. Die doppelte Ausführung der Timerbausteine 5 und 6 und der Schalter 7 und 8 dient lediglich zur Erhöhung der Auflösung des Umsetzungsverfahrens und ist nicht unbedingt notwendig. Der Mikroprozessor 4 kann also in einer einfacheren Ausführung auch lediglich mit einem Timerbaustein 5 und einem Schalter 7 verbunden sein, der dann die beiden Spannungsquellen U1 ref und -U1 ref direkt all den zweiten Eingang des Addierers 1 anlegt.
Die Funktionsweise der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung ist folgendermaßen: Die Meßspannung Um wird im Addierer 1 mit der bzw. den Kompensationespannungen addiert, die im Ausführungsbeispiel eine getastete Rechteckwechselgannung ist bzw. aus zwei getasteten Rechteckwechselspannungen unterschiedlicher Wertigkeiten besteht. Ar Gleichspannungsanteil der Kompensationsspannung ist dabei also von der Anschaltdauer von U1 ref und -U1 ref abhängig. Der Gleichspannungsanteil ist maximal, falls während einer Meßperiode U1 ref die ganze Zeit angeschaltet ist, er ist Null falls U1 ref und -U1 ref gleiche Zeiten angeschaltet sind und er ist minimal falls -U1 ref die ganze Zeit angeschaltet ist. Wenn der Gleichspannungsanteil ungleich Null ist, gibt der ADU 3 an den Mikroprozessor 4 eine von Null abweichende Information ab. Je nach Polarität dieser Information korrigiert der Mikroprozessor 4 das Tastverhältnis des Timerbausteins 5 bzw. des Timerbausteins 6 derart, daß der Gleichspannungsanteil der Kompensationsspannungn größer oder kleiner wird, so daß sich der Gleichspannungsanteil aus der Summe der Meßspannung und der Kompensationsspannungen Null nähert. Das Tastverhältnis ist in den Timerbausteinen 5 und 6 und im Mikroprozessor 4 gespeichert und kann jederzeit als digitaler Wert an die Anzeige 10 abgegeben werden. Die Timerbausteine 5 und 6 steuern die Schalter 7 und 8 die die Spannungsquellen U ref und -U ref an den Addierer 1 anlegen. Die Tastverhältnisse der Timerbausteine werden digital in Zählern gespeichert.
Die Timerbauisine besitzen nur ein begrenztes zeitliches Auflösungsvermögen für das Tastverhältnis, so daß das Umsetzungsverfahren bei Einsatz nur eines Timerbausteins in der Auflösung erheblich begrenzt würde.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird dem Addierer 1 daher eine aus zwei Spannungen zusammengesetzte Kompensationsspannung zugeführt, wobei die Spannungen unterschiedliche Wertigkeiten haben. Diese unterschiedlichen Wertigkeiten können beispielsweise durch einen Abschwächer 9 zwischen Schalter 7 und Addierer 1 erreicht werden. Der Abschwächer 9 kann stattdessen auch zwischen den Spannungsquellen U1 ref und -U1 ref und dem Schalter 7 angebracht werden. Zweckmäßigerweise wird die Wertigkeit der vom Schalter 7 abgegebenen getasteten Wechselspannung so gewählt, daß eine 100%ige änderung ihres Tastverhältnisses einer Veränderung des Tastverhältnisses um einen Schritt oder einige wenige Schritte durch den Timerbaustein 5 entspricht.
Ist der Gleichspannungsanteil der Kompensationsspannung so groß wie die Meßnnung Um, gibt der Tiefpaßfilter 2 kein von Null abweichendes Signal an den ADU 3, so daß bei gleichbleibender Meßspannung Um das System in Ruhe ist. Jetzt läuft das System ohne Hilfe des Mikroprozessors. Weiterhin sind auch während des Abgleichs die Steuerauaben des Mikroprozessors 4 sehr gering, er übernimmt den Wert für die noch zu kompensierende Spannung.und falls dieser nicht Null ist, korrigiert er das Tastverhältnis des Timerbausteins bzw. der Timerbausteine 5 und/oder 6. Auf Grund dieser geringen Belastung ist der Mikroprozessor in der Lage, mit hoher Frequenz die Nachstellung durchzuführen und somit eine zeitlich dichte Datenfolge für den Meßwert der Meßspannung Um zu erhalten. Da es sich bei dem Verfahren um ein Nachlaufsystem handelt, das dem Meßwert fast kontinuierlich folgt kann auch in dieser Hinsicht der Meßwert praktisch jederzeit abgefragt werden, so daß trotz der hohen Auflösung eine hohe MeBrate möglich ist. Weiterhin wird die Genauigkeit der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Schaltung nur durch die Genauigkeit der Referenzspannung und die zeitgenaue Umschaltung durch die Timerbausteine 5 und 6 und die Schalter 7 und 8 bestimmt. Der TiefpaB-filter 2 und der Nullindikator 3 haben keinen EinfluB auf die Meßempfindlichkeit, da sie im Nachregelkreis liegen und im angeglichenen Zustand ihre Information Null entspricht. Fehler im Nachregelkreis können sich somit auf dem Nullpunkt, nicht eber auf MeBempfindlichkeit und Linearität auswirken.
Weiterhin erlaubt die hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Mikroprozessors 4 mehrere Schaltungen zur Durchführung des Umsetzungs-Verfahrens parallel zu steuern. Der Aufwand für eine Schaltung sinkt somit nochmals erheblich und es lassen sich damit sehr preiswerte Mehrkanalsysteme mit sehr hoher Auflösung und Genauigkeit aufbauen. Eine derartige Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 1 entsprechen gleichen Bauteilen. Die MeBspannungen Um und U'm werden den einen Eingängen von Addierern 1 und 1' zugeführt. Die weitere Schaltung des Nachlaufsystems entspricht der Fig. 1 mit dem Unterschied, daß lediglich ein Timerbaustein 5 bzw. 5' und dementsprechend ein Schalter 7 bzw. 7' aufgebaut sind. Die Ausgänge der ADU's 3 bzw. 3' sind über den Mikroprozessor-Bus mit dem Mikroprozessor 4 verbunden, der einerseits die Timerbausteine 5 bzw.
5' und andererseits die Anzeigen 10 bzw. 10' ansteuert. Wie in der Fig. 2 angedeutet können in gleicher Weise weitere Nachlaufsysteme fürandere Meßspannungen über den Mikroprozessor-Bus mit dem Mikroprozessor 4 verbunden werden.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen einer Meßspannung in einen digitalen Wert Patentansprüche: Verfahren zum Umsetzen mindestens einer Meßspannung in einen digitalen Wert nach dem Kompensationsprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannung eine durch Tastung hergestellte Wechselspannung ist, deren Mittelwert durch ihr Tastverhältnis bestimmt wird, daß nach der Addition der Meßspannung und der Kompensationsspannung der Gleichspannungsanteil ausgefiltert wird, daß bei Abweichen des Gleichspannungsanteils von Null das Tastverhältnis der Kompensationsspannung derart verändert wird, daß der Gleichspannungsanteil zu Null geht und daß das Tastverhältnis der Kompensationsspannung als digitales Maß für die Meßspannung dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannung aus mehreren durch Tastung hergestellten Wechselspannungen verschiedener Wertigkeiten zusammengesetzt wird.
3. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für eine Meßspannung, wobei die Meßspannung und die Kompensationsspannung jeweils den Eingängen eines Addierers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Addierers (1) über einen Tiefpaßfilter (2) einen Nullindikator (3) ansteuert, der mit einer Logikschaltung (4) verbunden ist, von der das Tastverhältnis eines Rechteckgenerators (5; 6) veränderbar ist, daß der Rechteckgenerator (5t 6) einen Schalter (7; 8) steuert, von dem zwei Spannungsquellen (U1 ref, -U1 ref) unterschiedlicher Spannung an den Addierer (1) schaltbar sind und daß das Tastverhältnis des Rechteckgenerators (5, 6) digital erfaßbar ist.
4. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für mehrere Meßspannungen, wobei die Meßspannungen und die Kompensationsspannungen jeweils den Eingängen von Addierern zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Addierer (1, 1') über Tiefpaßfilter (2, 2') Nullindikatoren (3, 3') ansteuern, die mit einer Logikschaltung (4) verbunden sind, von der das Tastverhältnis der Rechteckgeneratoren (5, 5') veränderbar ist, daß die Rechteckgeneratoren (5, 5') Schalter (7, 7') steuern, von denen jeweils zwei Spannungsquellen (U ref, -U ref> U'ref, -U'ref) unterschiedlicher Spannung an die jeweiligen Addierer (1, 1') schaltbar sind und daß die Tastverhältnisse der Rechteckgeneratoren (1, 1') digital erfaßbar sind.
5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (4) ein Mikroprozessor ist.
6. Schaltung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Rechteckgenerator(en) (5, 6, 5') (ein) Timerbaustein(e) ist (sind).
7. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils beiden Spannungsquellen (U ref, -U ref) unterschiedliche Polarität besitzen.
8. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Rechteckgenerator (5, 6) und Schalter (7, 8j mehrfach ausgeführt sind.
9. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullindikator (3) ein Nullkomparator ist.
10. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullindikator (3) ein Analog-Digital-Umsetzer ist.
11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer und einem Zähler besteht..
12. Schaltung nach Aspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Tiefpaßfilter (2) und Analog-Digital-Umsetzer (3) ein rücksetzbarer Integrationsverstärker (15) geschaltet ist.